将树脂浸润纤维布所形成的纤维复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)用于钢筋混凝土结构加固，具有可设计、易操作和方便快捷等特点。因此，碳纤维布主要用于加固钢筋混凝土结构^[1]。

　　 目前，国内外学者对碳纤维布加固钢筋混凝土浅梁的受弯性能研究较多，其中吴刚等人^[2,3,4,5,6]对未损伤浅梁进行加固，张广泰等^[7]进行了数值模拟研究，李艳等^[8,9,10]对剥离性能进行研究，褚云朋等^[11,12]对损伤混凝土或锈蚀钢筋浅梁进行加固。而研究碳纤维布加固钢筋混凝土短梁受弯性能试验的文章较少^[13]。因此，本文通过7根钢筋混凝土短梁受弯试验，研究混凝土强度、纵筋配筋率和CFRP布层数对钢筋混凝土短梁受弯破坏特征、混凝土应变、延性和极限荷载等的影响规律。

　　 试验中设计并制作了7根钢筋混凝土短梁，跨度均为2 000mm，跨高比均为4，主要考虑了混凝土强度等级、纵筋配筋率和CFRP布层数的变化，纵向受力钢筋采用HRB400钢筋，试件的几何尺寸和配筋见图1，试件的设计参数见表1，表中试件编号W4-20-4-1中的4,20,4和1数字分别表示跨高比4、混凝土强度等级C20、纵筋配筋率0.42、CFRP布为1层。试件加固方式见图2，各试件的加固参数见表2。实测CFRP布主要性能指标见表3。采用TLS-503胶粘贴CFRP布，其各项力学性能符合《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)的要求。根据《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)的要求，实测的不同直径的HRB400钢筋的力学性能指标见表4。浇筑试件的同时，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)制作了混凝土标准立方体、棱柱体试块，实测的混凝土力学性能指标见表5。

　　 试验采用三分点加载，按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)的要求设置单调静力加载的支撑方式、加载方式和加载程序，在1 000t微机控制电液伺服压弯试验机上进行，加载装置见图3和图4。由于试验机量程较大，远大于试验梁的极限荷载，为了提高试验精度，将试验机顶部横梁固定后作为反力架，在反力架上安装双输出压力传感器，由微机控制底部油缸位移向上加载。

　　 混凝土、钢筋和CFRP布的应变，梁的转角、挠度、裂缝和荷载在试验中都进行了量测，具体布置见图4。

　　 采用双输出压力传感器量测荷载。试件两表面分别粘贴SZ120-100A应变片和日本TML应变片(型号为PI-5-100，简称π型应变片)来测量混凝土的应变，应变片测量精度高，量程小，一般在混凝土开裂前使用，混凝土开裂后将会超出应变片的量程而破坏应变片，为了能测量到混凝土开裂后的应变，在试件的另一侧安装π型应变计，π型应变计精度与应变片基本相同，但量程大，能测量混凝土开裂后的应变。位移计分别布置在两个支座上部、加载点下部和跨中，用于测量挠度。沿跨度方向每隔25cm间距在试件上部均匀放置YHQ-15型倾角仪。在跨中纯弯段区内，每根受压纵筋预埋1个应变片，每根受拉纵筋预埋2个应变片，CFRP布表面粘贴2个应变片(图5)。采用DH3 816N静态应变仪采集试验数据。采用DJCK-3全自动裂缝测宽仪观测，手写记录或描绘裂缝开展图。

　　 未加固试件W4-30-4-0的破坏特征为典型的适筋梁破坏，钢筋屈服有较大变形后，混凝土被压碎。

　　 CFRP布加固钢筋混凝土短梁破坏过程有以下特征:

　　 (1)均未出现剪切破坏和CFRP布端部剥离破坏。

　　 (2)均是钢筋先屈服。

　　 (3)纵筋屈服后，均出现混凝土和粘贴胶脱黏引起的“啪啪”声响，随后声响变得密集且大，这是由于混凝土和粘贴胶脱黏产生的界面剥离，出现在三分加载点下部附近的纯弯或弯剪区域，破坏时梁均出现不同程度的因跨中裂缝而引起的界面剥离。

　　 (4)1层纤维布加固且配筋率为0.42%的试件W4-20-4-1,W4-30-4-1,W4-40-4-1均出现CFRP布先被拉断的弯曲破坏，1层纤维布加固且配筋率为0.60%的试件W4-30-6-1和配筋率为0.82%的试件W4-30-8-1均出现混凝土先压碎的弯曲破坏，2层CFRP布加固且配筋率为0.42%的试件W4-30-4-2在CFRP布出现拉断的同时受压区混凝土压碎，表现为界限破坏。

　　 (5)加固短梁的CFRP均在梁底宽度边缘部分被拉断。各试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、极限弯矩及破坏特征如表6所示。

　　 分析7个试件的破坏特征得出:随纵筋配筋率和CFRP布层数的增加，加固梁的破坏逐渐向超筋梁破坏特征发展。

　　 试验过程中，在试件的一侧跨中位置沿高度均匀布置6个π型应变计，用来验正CFRP布加固钢筋混凝土短梁截面变形是否符合平截面假定，各试件混凝土应变如图6所示。从图中可以看出:混凝土开裂后不同加载阶段，7个试件的混凝土应变均较符合平截面假定。

　　 各试件受拉钢筋和CFRP布的荷载-应变曲线如图7所示。从图中可以看出，所有试件的钢筋在破坏前均屈服，曲线大致呈3个阶段段特征:第1阶段为混凝土开裂前，构件基本上处于弹性状态，拉应力主要由混凝土、钢筋和CFRP布共同承担，钢筋和CFRP布的应变呈线性增长;第2阶段为混凝土开裂到钢筋屈服，混凝土开裂后图形出现第一个拐点，原来由混凝土承受的拉应力转移到钢筋和CFRP布上，使其应力、应变突然增加，随着荷载的增加，CFRP布的高强加固性能逐渐发挥;第3阶段为钢筋屈服后，钢筋屈服时进入流幅或塑性变形状态，外荷载增加但钢筋的应力增加不明显，应变增加明显，增加的荷载大部分由CFRP布承担，CFRP布增强作用在此阶段最大。

　　 确定钢筋混凝土构件截面刚度随弯矩变化规律的最简单、直接的方法是进行试验，量测其弯矩-曲率曲线。根据在试件纯弯段内上下布置的两排π型应变计的测量数据，得出上部混凝土平均压应变和下部混凝土平均拉应变，可方便计算截面的平均曲率:

　　 图6 各试件混凝土应变

　　 式中:ρ为平均曲率半径;h₀为截面有效高度。

　　 各构件的弯矩-平均曲率曲线如图8所示。可见，曲率的变化反映了三阶段的受力特点，曲率的增长过程有两个转折点:试件开裂后，曲线出现明显转折，斜率迅速减小;临近钢筋屈服时，曲率加速增长，曲线的斜率再次迅速减小，出现第二次转折。

　　 根据材料力学理论，线弹性材料构件截面曲率与弯矩的关系为:

　　 式中:B为截面的弹性弯曲刚度，B=EI;E为材料的弹性模量;I为截面惯性矩。

　　 CFRP布加固钢筋混凝土梁的弯矩-曲率曲线是非线性关系，可根据M-1/ρ曲线分别计算割线斜率B_s和切线斜率B_t，公式为:

　　 割线刚度B_s用于全量分析，切线刚度B_t用于增量分析。静力加载时一般做全量分析，需要用割线刚度。本试验是单调静力加载，所以使用割线刚度B_s作为CFRP布加固的钢筋混凝土梁的抗弯刚度，计算出的各构件的弯矩-抗弯刚度曲线见图9。各试件的弯矩-抗弯刚度曲线也分为3个阶段。第1阶段为混凝土开裂前，曲率小，刚度大，刚度值波动较大是因为加载持荷时，曲率值稍微变化都会引起刚度值有较大的变化;第2阶段为混凝土开裂，刚度衰减很快(跟裂缝发展较快有关)，裂缝发展稳定后，刚度缓慢下降，接近钢筋屈服时，刚度衰减又变快;第3阶段为钢筋屈服后，虽然刚度衰减缓慢，但达到极限弯矩M_u时，刚度值已经很小了。

　　 各试件的屈服曲率、极限曲率和曲率延性系数见表7，从表中可以看出:未加固试件W4-30-4-0的延性最好，加固构件的延性降低;随混凝土强度和CFRP布层数的增加，延性变化规律不明显;相同加固量的试件，随纵筋配筋率的增加，曲率延性减小;配筋率较高的试件W4-30-6-1和4-30-8-1为混凝土压碎破坏，其曲率延性最小。

　　 试验中实测了7个试件的荷载-跨中挠度曲线，见图10。可以看出，开裂荷载和屈服荷载将曲线分为3个阶段:第1阶段为开裂荷载之前的试件弹性工作阶段，荷载-挠度曲线斜率较大，即梁刚度大，变形小;第2阶段为开裂荷载和屈服荷载之间的弹塑性工作阶段，荷载-挠度曲线斜率减小，即梁刚度减小，变形增大，纤维布层数较多的梁刚度较大;第3阶段为钢筋屈服后的塑性工作阶段，荷载-挠度曲线斜率进一步减小，梁的刚度减小，纤维布层数较多的梁刚度较大，CFRP布在此阶段发挥的作用最大。

　　 各试件的屈服挠度、极限挠度和位移延性系数指标见表8，从表中得出的规律基本同表7的曲率延性规律。

　　 为了分析纵筋配筋率和纤维布层数对梁极限荷载的影响，采用极限荷载相对值P_u/f_cubh(摈弃混凝土强度和截面尺寸的影响)作为纵坐标，其中，P_u为梁极限荷载，b,h分别为梁的截面宽度和高度，f_cu为混凝土立方体抗压强度。根据试验结果得到了纵筋配筋率和纤维布层数对梁极限荷载相对值P_u/f_cubh的影响，见图11。由图11(a)可知，纵筋配筋率从0.42%增加到0.60%和0.82%，极限荷载分别提高27.3%和31.7%，极限荷载随纵筋配筋率的增加而提高。由图11(b)可知，CFRP布加固层数n为1层和2层时，极限荷载比未加固梁分别提高26.5%和59.2%，极限荷载相对值随CFRP布加固层数n的增加而显著提高。

　　 (1)本试验的CFRP布加固钢筋混凝土短梁的受弯破坏特征为:随纵筋配筋率和纤维布层数的增加，加固梁的破坏逐渐向超筋梁特征发展。

　　 (2)由7个试件的混凝土应变分析得出，跨高比为4的试件的混凝土应变均较符合平截面假定。由CFRP布加固钢筋混凝土短梁的受力钢筋和纤维布应变分析得出，钢筋在试件破坏前均屈服，CFRP布在钢筋屈服后作用最大。

　　 (3)由CFRP布加固钢筋混凝土短梁的弯矩-曲率和荷载-挠度曲线分析得出，开裂荷载和屈服荷载将曲线分为3个阶段，不同阶段变化规律不同。由7个试件曲率延性和位移延性分析可知，未加固试件的延性最好，加固试件的延性降低;随混凝土强度和CFRP布层数增加，延性变化规律不明显;相同加固量的试件，随纵筋配筋率的增加，延性减小;配筋率较高的两个试件为混凝土压碎破坏，延性最差。

　　 (4)由CFRP布加固量不同的钢筋混凝土短梁的极限荷载分析得出，加固梁的极限荷载随纵筋配筋率和CFRP布加固量的增加而提高。